دانشگاه صنعتی امیرکبیر- اکتشافات، اختراعات و دستاوردها
توسط محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر به نتیجه رسید؛ ارائه روشی کارآمد برای تحلیل ساختمانها با لحاظ اندرکنش خاک و سازه منتج به کاهش عملیات و هزینه های محاسباتی

حذف تصاویر و رنگ‌ها  | تاریخ ارسال: 1400/10/22 | 
محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر موفق به ارائه روشی کارآمد برای تحلیل ساختمان ها با لحاظ اندرکنش خاک و سازه و توابع امپدانس فونداسیون شدند که باعث بهینه سازی و کاهش قابل توجه عملیات و هزینه های محاسباتی مهندسان می شود.

این تحقیق به عنوان رساله مقطع دکتری آقای یزدان حیاتی و تحت راهنمایی و سرپرستی اساتید دانشگاه صنعتی امیرکبیر آقایان دکتر ابوالفضل اسلامی و دکتر غلامرضا هوایی، در دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست و با همکاری مرکز تحقیقات سازه و زلزله دانشگاه صنعتی امیرکبیر به انجام رسیده است.

به گزارش روابط عمومی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، آقای یزدان حیاتی فارغ التحصیل مقطع دکتری رشته مهندسی عمران دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه صنعتی امیرکبیر و مجری طرح «تعیین توابع امپدانس دینامیکی پی ها مبتنی بر مدل ترموالاستیک خاک جهت تحلیل اندرکنش خاک-سازه با روش زیرسازه و FEM» گفت: هدف از اجرای این پروژه، ارایه یک روش و مدل کارآمد برای انجام تحلیل های سه بعدیِ دینامیکی اندرکنش خاک و سازه با استفاده از تکنیک زیرسازه و روش محبوب اجزای محدود (FEM) تحت اثر نیروها و لنگرهای خارجی و امواج لرزه ای بوده است که در مهندسی سازه و زلزله بسیار پرکاربرد است.
وی افزود: به طور کلی به دلیل ماهیتِ بدون مرز و ابعاد بینهایت خاک زیر فونداسیون، انجام تحلیل های اندرکنش خاک و سازه با استفاده از روش های معمول بسیار پیچیده و پرهزینه است و نیازمند حافظه های کامپیوتری بسیار زیادی است.
حیاتی با بیان اینکه در این پروژه، ابتدا با استفاده از مفاهیم روش زیرسازه، محیط نامتناهی خاک زیر فونداسیون حذف شده است، گفت: دو اثر این محیط که یکی ماتریس امپدانس فونداسیون و دیگری بردار نیروی درایوینگ (بردار نیروی ناشی از امواج لرزه ای) هستند، به فونداسیون و سازه فوقانی آن اعمال شده اند.
محقق دانشگاه صنعتی امیرکبیر افزود:  به همین منظور در این رساله یک مدل شبیه سازی سه بعدی و کارآمد پیشنهاد و ارایه شده است که در آن، محیط نامتناهی خاک زیر فونداسیون توسط مجموعه ای از کمک-فنرها که شامل فنرها و میراگرهای ویسکوز هستند، جایگزین شده است.
به گفته حیاتی، این سیستم کمک-فنر به نقاط خاصی از فونداسیون متصل شده است تا بتواند سختی و میرایی خاک را در جهت های مختلف شبیه سازی و تامین کند.
وی خاطر نشان کرد: ضریب سختی فنرها و ضریب میرایی میراگرهای ویسکوز بصورت توابعی وابسته به فرکانس تحریکات (بارگذاری یا امواج زلزله) با استفاده از مفهوم توابع امپدانس فونداسیون برای مودهای ارتعاشی مختلف سازه شامل ارتعاشات افقی، قایم، گهواره ای و پیچشی محاسبه شد.
وی افزود: با استفاده از این مدل پیشنهاد شده که موسوم به مدل سازه-فنر-میراگر (Superstructure-Spring-Dashpot model) است، محیط خاک که دارای ابعاد بینهایت بوده حذف و به جای آن یک سیستم کمک-فنر به فونداسیون متصل شد. به این واسطه سختی و میرایی خاک را می توان شبیه سازی کرد.
وی اضافه کرد: همچنین بردار نیروی درایوینگ نیز به مرکز فونداسیون اعمال شد تا بتوانیم اثرات امواج زلزله برخوردی به فونداسیون را شبیه سازی کنیم. با استفاده از این تکنیک، عملا محیط خاک حذف میشود و دیگر نیازی به گسسته سازی محیط بینهایت خاک توسط روش اجزای محدود نیست و فقط سازه و فونداسیون که دارای ابعاد محدودی هستند توسط روش اجزای محدود (FEM) گسسته سازی میشوند.
به گفته وی، نتایج نشان داد که این روش باعث کاهش قابل توجه عملیات و هزینه های محاسباتی  می شود.
فارغ التحصیل دانشگاه صنعتی امیرکبیر گفت: همچنین در این تحقیق از یک روش جدید و پیشرفته اجزای محدود موسوم به CUF-FEM که بر پایه روش فرمولبندی یکپارچه کررا (Carrera Unified Formulation) است استفاده شده است که این روش از المان های یک بعدی تیر برای مدلسازی سازه های سه بعدی استفاده می کند و باعث کاهش هرچه بیشتر هزینه های محاسباتی نسبت به روش های اجزای محدود کلاسیک سه بعدی می شود.
به گفته حیاتی، این تحقیق رویکرد جدید و مفیدی برای انجام تحلیل های سه بعدی اندرکنش خاک- سازه با نگاه به کاهش عملیات و هزینه های محاسباتی ایجاد کرده که در مهندسی سازه و زلزله دارای اهمیت ویژه ای است.
وی تاکید کرد: به طور کلی در این تحقیق به اهداف مورد نظر رسیده ایم و مدل سازه-فنر-میراگر (SSD) ارایه شده بسیار ساده و کارآمد بوده و در عین حال برای هر سیستم دلخواه سه بعدی خاک-فونداسیون-سازه (با فرض صلب بودن فونداسیون) قابل کاربرد خواهد بود.
وی با بیان اینکه این تحقیق در زمینه ارتقای مرزهای دانش در زمینه مهندسی سازه و زلزله دارای اهمیت است، گفت: در بعد اقتصادی نیز می توان نرم افزارهای مناسب جهت تحلیل و طراحی مهندسی را با تکیه بر این روش و مدل پیشنهاد شده تولید کرد و در اختیار جامعه مهندسین قرار داد تا به کمک آن بتوان انجام تحلیل های اندرکنش خاک و سازه سه بعدی را برای سازه های مختلف به مرحله اجرا درآورد و از نتایج لحاظ کردن اندرکنش خاک و سازه استفاده کرد.
همچنین نتایج تحقیقات نشان میدهند که برای ساختمان های با دوره تناوب بیشتر از ۰.۵ ثانیه(ساختمان های بزرگ تر از ۵ طبقه) لحاظ اندرکنش خاک و سازه میتواند تا ۲۰ درصد (بسته به مشخصات خاک، فونداسیون و سازه) باعث کاهش نیروی برش پایه ناشی از زلزله گردد. کاهش برش پایه زلزله نیز به نوبه خود باعث کاهش ابعاد مقاطع تیرها و ستونها و المانهای سازه ای اسکلت ساختمان میگردد که درنهایت باعث کاهش هزینه تمام شده ساختمان میشود.
حیاتی با اشاره به مزیت های رقابتی طرح گفت: ساده و کارآمد و در عین حال قابل کاربرد برای انواع سیستم های خاک-فونداسیون-سازه سه بعدی، کاهش قابل توجه عملیات و هزینه های محاسباتی در مقایسه با روش های مرسوم و معمول از ویژگی های این طرح به شمار می رود.
وی ادامه داد: همچنین از نتایج این تحقیق می توان در کاربردهای مهندسی استفاده کرد و می توان این روش و مدل را به سایر علوم مهندسی مانند اندرکنش سازه-سیال نیز گسترش داد که در سد سازی و سازه های هیدرولیکی کاربرد دارد.
حیاتی عنوان کرد که نتایج این تحقیق در قالب چهار مقاله علمی پژوهشی در مجلات معتبر بین المللی با نمایه JCR به چاپ رسیده است.
نشانی مطلب در وبگاه دانشگاه صنعتی امیرکبیر:
http://aut.ac.ir/find.php?item=1.336.10512.fa
برگشت به اصل مطلب